30 de julio de 2015
Fuente: ASM International
Los cálculos muestran que un material hecho con las cantidades justas de hafnio, nitrógeno y carbono tendría un punto de fusión de más de 4400 K (7460°F). Eso es aproximadamente dos tercios de la temperatura de la superficie del sol y 200 K más que el punto de fusión más alto jamás registrado experimentalmente.
El récord experimental es una sustancia hecha de los elementos hafnio, tantalio y carbono (Hf-Ta-C). Pero estos nuevos cálculos sugieren que una composición óptima de hafnio, nitrógeno y carbono -HfN0,38C0,51- es un candidato prometedor para establecer una nueva marca. El siguiente paso, que los investigadores están llevando a cabo ahora, es sintetizar el material y corroborar los hallazgos en el laboratorio.
«La ventaja de empezar con el enfoque computacional es que podemos probar muchas combinaciones diferentes de forma muy económica y encontrar las que podrían valer la pena experimentar en el laboratorio», dice Axel van de Walle, profesor asociado de ingeniería en la Universidad de Brown. «De lo contrario, estaríamos disparando en la oscuridad. Ahora sabemos que tenemos algo que merece la pena probar».
Los investigadores utilizaron una técnica computacional que infiere los puntos de fusión mediante la simulación de procesos físicos a nivel atómico, siguiendo la ley de la mecánica cuántica. La técnica examina la dinámica de la fusión cuando se produce en la nanoescala, en bloques de unos 100 átomos. Es más eficaz que los métodos tradicionales, pero sigue siendo exigente desde el punto de vista computacional debido al gran número de compuestos potenciales que hay que analizar. El trabajo se realizó utilizando la red informática XSEDE de la Fundación Nacional de Ciencias y el clúster de ordenadores de alto rendimiento «Oscar» de Brown.
El equipo analizó el material Hf-Ta-C cuyo punto de fusión ya se había determinado experimentalmente. La simulación pudo dilucidar algunos de los factores que contribuyen a la notable tolerancia al calor del material.
El trabajo muestra que el Hf-Ta-C combinó un alto calor de fusión (la energía liberada o absorbida cuando pasa de sólido a líquido) con una pequeña diferencia entre las entropías (desorden) de las fases sólida y líquida. «Lo que hace que algo se funda es la entropía ganada en el proceso de transformación de fase», explica van de Walle. «Así que si la entropía del sólido ya es muy alta, eso tiende a estabilizar el sólido y a aumentar el punto de fusión».
Los investigadores utilizaron entonces esos hallazgos para buscar compuestos que pudieran maximizar esas propiedades. Descubrieron que un compuesto con hafnio, nitrógeno y carbono tendría un calor de fusión igualmente alto, pero una menor diferencia entre las entropías del sólido y del líquido. Cuando calcularon el punto de fusión utilizando su enfoque computacional, resultó ser 200 K más alto que el registro experimental.
El grupo está colaborando ahora con el laboratorio de Alexandra Navrotsky en la Universidad de California, Davis, para sintetizar el compuesto y realizar los experimentos del punto de fusión. El laboratorio de Navrotksy está equipado para este tipo de experimentos a altas temperaturas.
¿Posibles usos?
El trabajo podría apuntar en última instancia a nuevos materiales de alto rendimiento para una variedad de usos, desde el revestimiento de las turbinas de gas hasta los escudos térmicos de los aviones de alta velocidad. Pero no está claro si el compuesto HfN0.38C0.51 en sí mismo será un material útil, dice van de Walle.
«El punto de fusión no es la única propiedad importante», dice. «Habría que considerar cosas como las propiedades mecánicas y la resistencia a la oxidación y todo tipo de otras propiedades. Así que, teniendo en cuenta estas cosas, es posible que se quiera mezclar con otras cosas que puedan reducir el punto de fusión. Pero como se empieza con un punto de fusión tan alto, se tiene más margen de maniobra para ajustar otras propiedades. Así que creo que esto da una idea de lo que se puede hacer».
El trabajo también demuestra el poder de esta técnica computacional relativamente nueva, dice van de Walle. En los últimos años ha aumentado el interés por utilizar la computación para explorar las propiedades de los materiales de un gran número de compuestos candidatos, pero gran parte de ese trabajo se ha centrado en propiedades que son mucho más fáciles de calcular que el punto de fusión. «El punto de fusión es un problema de predicción realmente difícil en comparación con lo que se ha hecho antes», afirma van de Walle. «Para la comunidad de modelado, creo que eso es lo especial de esto».
La financiación provino de la Oficina de Investigación Naval de Estados Unidos y de la Universidad de Brown mediante el uso de las instalaciones de su Centro de Computación y Visualización. El Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), que se utilizó en este estudio, cuenta con el apoyo de la National Science Foundation.
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